爆震燃烧起始过程的高速立体视觉诊断方法与实验研究

The method investigation on stereo imaging and reconstruction of the 3D geometry of detonation combustion flame is a novel diagnostic technique which uses binocular stereo imaging and digital image processing method to reconstruct 3D unsteady flame construture through a high-speed camera with a four-mirror stereo adapter attached to the front of lens. By contrast with conventional optical diagnostic methods such as schlieren and shadowgraph methods, holography and PIV, this technique has many advantages in showing the flame surface and inner structure of 3D, unsteady flow flame without tracer particle as well as simple constructure, low cost. The current project intends to apply this advanced optical diagnostic technique to the field of detonation combusiton in order to obtain the transient 3D detonation flame structure, establish the new diagnostic method and search the operation mechanism of detonaiton initiation process. The biggest innovation point is that the technique of 3D reconstruction based on binocular stereo vision is introduced into the flame diagnosis of the detonation combustion so as to show the propagation characteristics of flame front in the transparent medium. The main reseach contents are following as: (1) High-speed stereo imaging mechnism based on the binocular vision. (2) The method and algorithm investigations of 3D flame reconstrution. (3) The establishment of experimental system of high-speed stereo imaging and 3D geometry reconstruction using for the detonation combusiton diagnosis. (4) The transient diagnoses of the detonation flame under different working condition using the binocular stereo vision technique, and the 3D reconstrution of flame surface of detonation combustion in order to find out a variety of detonation initiation modes and evolution law which exists in the developping process.

高速立体成像及其三维重构是一种用于火焰与爆震波研究的新型诊断技术。它通过在高速摄像机镜头前设置分镜器，进行四镜双目立体取像，应用图像处理技术，实现三维非定常图像的重构。相对于现有的光学诊断技术，它具有三维、非定常、结构简单、成本低、既可以测量火焰外形，又可以和其它测量方法结合再现火焰的三维内部结构，且不需要示踪粒子等优点。. 本研究的目的在于将这种先进的光学诊断方法应用于爆震燃烧诊断领域，实现对不同起爆方法下瞬态火焰结构三维信息的捕获，探索爆震波的立体成像及其三维数字图像重构的机理与方法。研究的主要内容有：. （1）高速双目立体成像原理；. （2）三维图像重构的方法和算法；. （3）构建用于爆震燃烧诊断的高速立体成像及其三维重构系统；. （4）进行爆震起爆过程的立体图像检测，进行火焰表面的三维重构，结合其他测试手段，探索爆震起始规律。

高速立体成像及其三维重构是一种用于火焰与爆震波研究的新型诊断技术。该项目研究了多目分光镜设计、火焰图像立体重建技术、相关算法代码编写、系统搭建与实验设计，并完成了相关的技术开发与实验，主要工作有：. （1）就双目立体视觉原理进行了详尽分析。在相机成像原理基础上，建立了成像的线性模型，并考虑了相机镜头的非线性畸变，依此建立了非线性模型。. （2）为满足多视角同步观察图像的目的，设计了四镜双目与六镜四目两种分光镜，实现了单相机虚拟两个或四个相机同步观测功能。其中前者用于立体重建原理研究，后者重在提高图像重构精度。. （3）在单相机模型基础上，对虚拟多相机间关系进行了分析，建立了系统模型，并对相机和系统进行了标定。项目采用张正友标定法对多相机进行标定，并采用改进的重投影法完成了系统标定，通过特征点三维重构检验了标定精度。结果表明，不同相机组合的多目标系统的重建点方差均不超过 ，验证了系统标定结果的准确性。. （4）为实现图像匹配，研究了极线校正原理，并对图像对进行了极线校正验证与图像匹配。固体对象重建实验表明，成功实现了图像对的匹配。随后研究了三维重建算法，通过本生灯火焰三维成像实验，完成了火焰图像取像，应用图像处理技术，实现了非预混冲击火焰的三维重建，验证了火焰立体重建的可行性。. （5）研究了变阻塞比爆震点火与不同点火方式下PDE的点火起爆特性及其对点火起爆性能的影响，实验结果表明：阻塞比依次降低有利于爆震火焰形成；不同点火方式下，吸气式PDE均能快速起爆、稳定工作，预爆管点火能够缩短煤油/空气吸气式PDE的DDT距离，约在700mm；热射流点火也能够缩短DDT距离，距离比火花塞点火缩短近200mm。. （6）针对乙炔/空气可燃混气的变阻塞比爆震起爆过程，成功捕捉到了爆震燃烧起始过程的火焰，实现了爆震火焰三维重建，获得了火焰的三维几何结构。. 以上结果表明，项目已经完成了所有的研究内容，发展的高速立体视觉火焰诊断技术可以再现火焰的三维结构。